RU207959U1 - Быстропроточный термохимический реактор высокого давления - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области химического машиностроения, а именно к конструкции быстропроточных термохимических реакторов непрерывного действия. Быстропроточный термохимический реактор высокого давления включает в себя гидродинамический тракт с противоточным рекуперативным теплообменником, нагревателем, заключенный в силовой бандаж. Противоточный рекуперативный теплообменник выполнен в виде набора плоских пластин с расположенными между ними проточными каналами для сырья и продуктов термохимических реакций. При этом плоские пластины герметично соединены между собой прокладками по боковым краям так, что пластины и прокладки совместно играют роль элементов силового бандажа вдоль плоскости пластин. Для силового бандажа в перпендикулярном направлении установлены снаружи плоские плиты, стянутые между собой шпильками или штангами. Между пластинами и плитами, пластинами и шпильками установлена теплоизоляция. Техническим результатом является повышение производительности и энергетической эффективности быстропроточного термохимического реактора высокого давления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области химического машиностроения, более конкретно, к конструкции быстропроточных термохимических реакторов непрерывного действия, способных работать при высоких, в том числе и сверхкритических, температурах и давлениях. Преимущественная область применения таких аппаратов - экологически чистая и энергетически эффективная газификация жидких органических отходов типа навоза животных, иловых осадков сточных вод, послеспиртовой барды, пивной дробины, лигнина и т.п., а также утилизация вредных веществ типа стойких органических загрязнителей (СОЗ), смазочных и охлаждающих жидкостей (СОЖ), отходов нефтехимических производств и других веществ путем перевода их в вещества меньшего класса опасности.

Широко известны аппараты непрерывного действия, так называемые биогазовые установки, для биологического превращения органических отходов в полезные продукты -биогаз для получения энергии и органические удобрения для повышения урожайности почв. Время нахождения органических отходов в биореакторах составляет обычно 2-4 недели и перерабатывается в биогаз примерно 50% органики, содержащейся в биомассе. Процесс очень чувствителен к содержащимся в биомассе антибиотикам, дезинфицирующим веществам, химическим удобрениям и ядохимикатам.

Широко известны также аппараты непрерывного действия, использующие сжигание органических отходов с получением полезной тепловой энергии. При этом вода, входящая в состав большинства крупнотоннажных органических отходов, а также газообразные продукты сгорания, содержащие образуемые при сгорании вредные примеси, направляются в атмосферу. Испарение воды требует больших затрат энергии, а очистка паров воды и продуктов сгорания от попадания вредных веществ в атмосферу связано с применением сложного и дорогого оборудования.

Этих недостатков лишены в значительной мере известные технологии сверхкритической водной газификации (СКВГ) и сверхкритического водного окисления (СКВО), проводимые в непрерывном потоке обводненного исходного сырья и продуктов термохимических превращений (см., например, N. Boukis, U.Galla, H.Muller and E.Dinjus "Biomass gasification in supercritical water. Experimental progress achieved with the VERENA pilot plant", 15^th European Conference & Exhibition, 7-11 May 2007, Berlin, Germany; Philip A Marrone "Supercritical Water Oxidation - Current Status of Full-scale Commercial Activity for Waste Destruction", Journal of Supercritical Fluids The 79:283 - 288, July 2013). Термохимические реакции проводятся в сверхкритических режимах для воды при температурах более Т>375°С и давлениях Р>23 МПа.

Чем выше температура сверхкритической жидкости в термохимическом реакторе, тем быстрее и более полно проходят реакции термохимических превращений. В самой горячей точке реактора должны быть одновременно и высокая температура, вплоть до 900°С и выше, и давление, как правило, не ниже 25 МПа. При таких температурах и давлениях вода и сама может выступать в качестве реагента, превращая сырье в нужные продукты, в первую очередь водород и метан. Это особенно важно для газификации угля, кокса, керогенов, многих видов пластика и других веществ с повышенной долей углерода (водяная конверсия угля: С+Н₂О=СО+Н₂).

Однако, при одновременном воздействии таких высоких температур и давлений использование механически и химически стойких материалов практически не всегда возможно из-за уникальности этих материалов и их высокой себестоимости.

В случае быстропроточного реактора непрерывного действия гидродинамический тракт установок с СКВГ и СКВО содержит кроме собственно реактора проточный нагреватель и противоточный рекуперативный теплообменник. Сырье подается под высоким давлением в начало противоточного теплообменника и, перемещаясь к его концу, нагревается продуктами термохимических реакций, движущимися через теплообменник во встречном направлении. В концевой части противоточного теплообменника располагается проточный нагреватель потока сырья. Термохимические реакции происходят в концевой части теплообменника и нагревателе. Для повышения энергетической эффективности конструкция реактора предполагает основной нагрев обводненного сырья проводить в противоточном теплообменнике.

Решением проблем использования доступных механически и химически стойких материалов является компонование гидродинамического тракта термохимического реактора, а именно, противоточного рекуперативного теплообменника, нагревателя и реакционной зоны реактора в единый узел с пространственным разделением областей, где элементы конструкции реактора подвергается либо только механическому, либо только термическому воздействию.

Такое разделение осуществляется, например, в спиральных термохимических реакторах, где жидкое сырье подводится и, соответственно, продукты переработки отводятся по внешним виткам плоских спиралей при пониженной температуре в начале теплообменника, а нагреватель, как правило, электрического типа, находится вблизи оси у внутренних витков спиралей в конце теплообменника при повышенной температуре. Находящиеся при высокой температуре элементы конструкции испытывают лишь равномерное со всех сторон давление, т.е. не испытывают силовых воздействий. Роль силового бандажа, принимающего на себя механические нагрузки, принимают на себя находящаяся при пониженной температуре образующая цилиндрического корпуса, в которую помещен теплообменник вместе с нагревателем, и торцевые фланцы цилиндрического корпуса, теплоизолированные от нагревателя и спиралей теплообменника (см. например, патент RU 2408649 «Способ переработки органических отходов и устройство для его осуществления»).

Входящая жидкость, являющаяся сырьем, движется в теплообменнике по спирали от периметра к центру, нагреваясь через общую стенку каналов движущейся в противоположном направлении от центра к периферии продуктами термохимических превращений. По мере своего продвижения при достижении сырьем определенных температур в сырье начинают происходить эндотермические реакции распада сложных молекул и экзотермические химические реакции синтеза из простых других молекул. Скорость эндотермических мономолекулярных реакций распада резко зависит от температуры (возрастает для большинства молекул на порядок при изменении температуры примерно на 30°С). При высоких давлениях добавляются еще и бимолекулярные реакции с участием радикалов, имеющие более низкие энергии активации и позволяющие приводить термохимические превращения при более низких температурах в реакторе. Характерная скорость термохимических реакций при высоких температурах может составлять единицы и десятки секунд, что позволяет использовать проточные части теплообменника и нагревателя в качестве собственно термохимических реакторов.

Однако, быстропроточный термохимический реактор на основе спиральных теплообменников оказываются неприспособленным для переработки больших объемов сырья из-за проблем с его весогабаритными характеристиками. Увеличение производительности по сырью требует увеличения площади проходного сечения каналов в теплообменнике для потоков сырья и продуктов термохимических превращений, что ведет к увеличению внешнего диаметра силового бандажа, толщина которого должна расти пропорционально его диаметру. Работа при высоких температурах также требует увеличения длины каналов противоточных рекуперативных теплообменника вдоль потока, что приводит к увеличению числа витков спирали и также ведет к увеличению диаметра теплообменника. И, наконец, увеличение энергетической эффективности быстропроточного термохимического реактора, которую можно определить как снижение энергетических затрат за счет снижения общих потерь на теплопроводность как через внешние стенки, так и конвективные потери за счет выноса тепла продуктами термохимических превращений, которые требуют хорошей теплоизоляции между соседними парами витков каналов спирального теплообменника, что также увеличивает размеры силового бандажа.

Целью настоящего изобретения является повышение производительности и энергетической эффективности быстропроточного термохимического реактора высокого давления.

Указанная цель достигается тем, что в известном быстропроточном термохимическом реакторе высокого давления, включающим в себя гидродинамический тракт с противоточным рекуперативным теплообменником и нагревателем, заключенный в силовой бандаж, противоточный рекуперативный теплообменник выполнен в виде набора плоских пластин с расположенными между ними проточными каналами для сырья и продуктов термохимических реакций, при этом плоские пластины герметично соединены между собой прокладками по боковым краям так, что пластины и прокладки совместно играют роль элементов силового бандажа вдоль плоскости пластин, для силового бандажа в перпендикулярном направлении установлены снаружи плоские плиты, стянутые между собой шпильками или штангами, между пластинами и плитами, пластинами и шпильками установлена теплоизоляция для снижения температуры силовых элементов бандажа, охлаждаемых, например, окружающим воздухом.

Другое отличие заключается в том, что гидродинамический тракт секционируют вдоль направления потока газа, секции теплообменника через теплоизоляцию складывают друг на друга, стягивают общими плитами бандажа, и соединяют между собой таким образом, чтобы самые холодные секции теплообменника, т.е. секции с входящим и выходящим потоками сырья и продуктов термохимических превращений, располагались около плит бандажа, а для компенсации температурных деформаций в различных режимах работы реактор, например, плиты бандажа выполняются из пластин рессорной стали.

На рисунке 1 изображено поперечное сечение рекуперативного противоточного теплообменника быстропроточного реактора с силовым бандажом.

На рисунке 2 приведен пример секционированного вдоль потока двойного теплообменника с общим нагревателем и общими плитами бандажа.

Проточные каналы противоточного теплообменника для сырья 1 и для продуктов термохимических реакций 2 образованы плоскими пластинами 3, разделяющими движущиеся во встречных направлениях потоки сырья и продуктов термохимических реакций. Для увеличения площади теплообмена между этими потоками и выравнивания их скоростей, общие потоки секционируют как по ширине, так и по высоте теплообменника. Для компенсации прогиба пластин из-за различия в давлениях сырья и продуктов термохимических реакций и предотвращения деформаций между пластинами установлены бобышки 4. По боковым сторонам пластин 3 установлены и герметично соединены с пластинами, например, путем сварки, прокладки 5, которые вместе с пластинами образуют силовой бандаж, который позволяет выдерживать высокое давление жидкостей вдоль поверхности пластин и при повышенных температурах. Прочность при повышенных температурах и давлениях определяется соотношение толщин пластин 3 и прокладок 4.

В перпендикулярном от плоскости пластин направлении параллельно пластинам 3 через теплоизоляционные плиты 6 установлены плиты бандажа 7, стянутые между собой штангами 8, являющиеся элементами силового бандажа, обеспечивающие прочность теплообменника в перпендикулярном к плоским пластинам 3 направлении. Для понижения температур плит 7 и штанг 8, плиты и штанги охлаждают воздухом или охлаждающей жидкостью. Для компенсации нагрузок из-за теплового расширения каналов теплообменника в различных режимах работы реактора сами плиты могут выполняться из набора пластин рессорной стали.

Приведенная на рис. 1 конструкция реактора работает следующим образом. При появлении потока жидкостей в каналах возникают распирающие усилия, направленные во все стороны поперек потока. В направлении плоскостей пластин 3 на прокладки 5 будут действовать давление P_m=P_f(h/d), где P_f - давление жидкости, приводящее к растяжению плоских пластин h - высота канала, d - толщина пластины. При работе реактора в сверхкритическом режиме давление жидкости обычно не превышает P_f=30-40 МПа. Прочность обычных нержавеющих сталей в рабочем температурном режиме находится в диапазоне P_s=200-1000 МПа, что много больше P_m. Варьируя толщину пластин и марку сталей, можно выбрать надежное соотношение отношения толщин пластин к высоте отдельных каналов.

Что касается плит и стягивающих штанг или шпилек, то здесь, поскольку эти элементы находятся в допустимом для надежной работы температурном диапазоне, проблем с выбором материала практически не возникает.

Приведенный на рисунке 2 вариант быстропроточного термохимического реактора содержит два секционированных вдоль потока противоточных рекуперативных теплообменника 9, между которыми расположен общий нагреватель 10 и которые вместе стянуты силовым бандажом из плит 7 и штанг 8. Между секциями располагается теплоизоляция 6, выполненная, например, из термостойкого бетона. Приведенный на рисунке 2 вариант быстропроточного термохимического реактора близок к реактору со спиральным теплообменником, однако здесь нет ограничений по производительности реактора, поскольку он допускает увеличение его размера по всем трем направлениям, практически не увеличивая весогабаритные характеристики броневой защиты. Входящий 1 и выходящий 2 потоки, соответственно, сырья и продуктов реакций располагаются вблизи стягивающих плит 7, которые в этом случае автоматически находятся в рабочем температурном диапазоне для силовых материалов. Здесь также как и на рисунке 1, материалы, находящиеся при высоких температурах, не испытывают усилий, выходящих за пределы применимости распространенных сталей.

Предлагаемая полезная модель позволяет создавать быстропроточные высокотемпературные термохимические реакторы практически на любую заданную производительность с использованием распространенных конструкционных материалов.

Claims (2)

1. Быстропроточный термохимический реактор высокого давления, включающий в себя гидродинамический тракт с противоточным рекуперативным теплообменником, нагревателем, заключенный в силовой бандаж, отличающийся тем, что противоточный рекуперативный теплообменник выполнен в виде набора плоских пластин с расположенными между ними проточными каналами для сырья и продуктов термохимических реакций, при этом плоские пластины герметично соединены между собой прокладками по боковым краям так, что пластины и прокладки совместно играют роль элементов силового бандажа вдоль плоскости пластин, для силового бандажа в перпендикулярном направлении установлены снаружи плоские плиты, стянутые между собой шпильками или штангами, между пластинами и плитами, пластинами и шпильками установлена теплоизоляция.

2. Быстропроточный термохимический реактор по п. 1, отличающийся тем, что гидродинамический тракт секционирован вдоль направления потока газа, секции теплообменника через теплоизоляцию сложены друг на друга, стянуты общими плитами бандажа и соединены между собой таким образом, что самые холодные секции теплообменника, т.е. секции с входящим и выходящим потоками сырья и продуктов термохимических превращений, расположены около плит бандажа, которые выполнены из пластин рессорной стали.

Images